DE19506814C2 - Spektralapparat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spektralapparat zum Trennen von Spektralanteilen von Eingangslicht mit einer Phasengitteranord­ nung, die aus einer Anzahl von Lichtleitern, deren Längen sich jeweils um ganzzahlige Vielfache einer festen optischen Längendif­ ferenz unterscheiden, besteht und in die das Eingangslicht ein­ koppelbar ist, und mit einer von Ausgangslicht der Phasengitter­ anordnung beaufschlagten Empfängereinheit.

Ein derartiger Spektralapparat ist aus dem Artikel "Arrayed-Wave­ guide Grating for Wavelength Division Multi/Demultiplexer with Nanometre Resolution" von H. Takahashi, S. Suzuki, K. Kato und I. Nishi aus der Zeitschrift ELECTRONICS LETTERS, Band 26 Nr. 2, erschienen am 18. Januar 1990, bekannt. Bei diesem Spektral­ apparat ist eine Phasengitteranordnung vorgesehen, die aus Licht­ wellenleitern mit um eine feste optische Längendifferenz unter­ schiedlichen optischen Weglängen aufgebaut ist. Durch eine große optische Längendifferenz zwischen benachbarten Lichtleitern ist eine verhältnismäßig hohe spektrale Auflösung von etwa 0,6 Nanometer bei Überschneidung benachbarter Linien auf dem halben Wert des Maximums erzielt.

Mit diesem Spektralapparat sind zwar spektral verhältnismäßig dicht beieinanderliegende Spektralanteile mit einem Abstand von etwa 1 Nanometer oder weniger auflösbar, allerdings ist es ein Ziel, in der zukünftigen Nachrichtentechnik mit einer noch höheren spektralen Dichte sehr breitbandig Informationen zu übertragen. Der vorbekannte Spektralapparat jedoch weist lediglich eine Spek­ tralbreite von etwa 40 Nanometer auf, so daß auf lediglich etwa 20 Frequenzkanälen störungssicher übertragen werden kann. Weiterhin ist dieser Spektralapparat zum genauen Bestimmen von Spektralanteilen über einen großen Spektralbereich nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spektralapparat der eingangs genannten Art zu schaffen, der das Trennen von sehr dicht beieinanderliegender Spektralanteile über einen großen Spektralbereich gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Phasengitteranordnung wenigstens zwei Lichtleitergruppen auf­ weist, die jeweils aus Lichtleitern bestehen, deren Längen sich jeweils um ganzzahlige Vielfache einer festen optischen Längendif­ ferenz unterscheiden, wobei die jeweiligen festen optischen Län­ gendifferenzen der Lichtleitergruppen sich unterscheiden und so abgestimmt sind, daß sich verschiedene Ordnungen einer Licht­ leitergruppe zugeordnete Spektralbereiche in der Empfängereinheit mit dem von einer anderen Lichtleitergruppe mit einer größeren Spektralbreite empfangenen Spektralbereich einer einzigen Ord­ nung überlagern.

Durch die Kombination von mehreren Lichtleitergruppen mit unter­ schiedlichen spektralen Auflösungsvermögen und damit reziprok korrelierter Spektralbreite ist ein Spektralapparat geschaffen, der die hochpräzise Trennung von engen Spektralanteilen über einen sehr großen Spektralbereich gestattet. Das Mehrdeutigkeitsprob­ lem bei der Überlagerung des Ausgangslichtes verschiedener Ordnungen einer Lichtleitergruppe ist durch Korrelation mit der zugeordneten Spektralkomponente in dem Ausgangslicht einer einzigen Ordnung einer Lichtleitergruppe mit einer größeren Spek­ tralbreite gelöst. Dadurch sind auch eng benachbarte Spektral­ komponenten von Eingangslicht innerhalb der Spektralbreite des Spektralapparates mit einer hohen Genauigkeit bestimmbar.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Licht­ leitergruppen in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Das Ausgangslicht jeder Lichtleitergruppe beaufschlagt einen einzigen Zeilendetektor, wobei mittels einer von dem Eingangslicht beaufschlagten, in einer zeitlichen Abfolge umschaltbaren Lichtweiche jede Lichtleitergruppe einzeln mit dem Eingangslicht beaufschlagbar ist. Mittels einer an den Zeilendetektor angeschlossenen Auswerteelektronik sind die zeitlich nacheinander detek­ tierten Signale in hochpräzise Spektralwerte umrechenbar und als Spektrum in graphischer Form oder als eine Spitzenwertliste anzeigbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Lichtleitergruppen aufeinanderliegend in einer Stapelstruktur angeordnet, wobei jede Lichtleitergruppe einen ihr zugeordneten Zeilendetektor mit Ausgangslicht beaufschlagt. Die simultan vorliegenden Ausgangssignale der Zeilendetektoren sind mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik zu einem Spektrum oder zu einer Maximalwertliste umrechenbar. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch einen besonders kompakten optischen Aufbau aus, die zweckmäßigerweise bei relativ intensivem Eingangslicht verwendet wird, da dieses auf alle Licht­ leitergruppen aufgeteilt ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1 einen Spektralapparat mit zwei Lichtleiter­ gruppen, deren Ausgangslichtbündel einen Zeilen­ detektor beaufschlagen und

Fig. 2 in einem Blockschaltbild eine an den Zeilen­ detektor gemäß Fig. 1 angeschlossene Steuer- und Auswerteelektronik.

Fig. 1 zeigt einen in planarer Mikrotechnik mit Sili­ ziumoxid als Basismaterial ausgeführten Spektralapparat zum Trennen von Spektralanteilen von in einem Eingangs­ lichtleiter 1 eingekoppeltem Eingangslicht. Der Ein­ gangslichtleiter 1 mündet in eine Lichtweiche 2, mit der die im wesentlichen vollständige Intensität des Ein­ gangslichtes durch eine Steuer- und Auswerteelektronik 3 gesteuert in entweder einen ersten Einkoppellichtleiter 4 oder einen zweiten Einkoppellichtleiter 5 überführbar ist.

Der erste Einkoppellichtleiter 4 mündet in einen ersten Eingangskoppler 6 eines an sich bekannten Typs, mit dem das in dem ersten Einkoppellichtleiter 4 geführte Ein­ gangslicht in einer Anzahl von Phasenlichtleitern 7 einer ersten Lichtleitergruppe 8 einkoppelbar ist. Die an den ersten Eingangskoppler 6 einmündenden Enden der Phasenlichtleiter 7 liegen im wesentlichen auf dem Umfang eines Kreises mit Mittelpunkt in der Mündung des ersten Einkoppellichtleiters 4 in den Eingangskoppler 6. Ein typischer Wert für die Anzahl der Phasenlichtleiter 7 der ersten Lichtleitergruppe 8 liegt bei etwa 50.

Der zweite Einkoppellichtleiter 5 mündet in einen ent­ sprechend dem ersten Eingangskoppler 6 aufgebauten zweiten Eingangskoppler 9, an den eine Anzahl mit einem typischen Wert von etwa 50 von Phasenlichtleitern 10 einer zweiten Lichtleitergruppe 11 angeschlossen sind.

Die Phasenlichtleiter 7, 10 sind Monomodewellenleiter, die jeweils zu ihrem benachbarten Wellenleiter derselben Lichtleitergruppe 8, 11 eine konstante optische Längen­ differenz aufweisen. Die optischen Weglängen, die durch die geometrischen Längen multipliziert mit dem je­ weiligen Brechungsindex gegeben sind, der Phasenlicht­ leiter 7, 10 einer Lichtleitergruppe 8, 11 unterscheiden sich somit um ganzzahlige Vielfache der innerhalb einer Lichtleitergruppe 8, 11 festen optischen Längendiffe­ renz, wobei sich auch die optischen Längendifferenzen der Lichtleitergruppen 8, 11 voneinander unterscheiden. In einem Ausführungsbeispiel ist die optische Längen­ differenz zwischen zwei benachbarten Phasenlichtleitern 7 der ersten Lichtleitergruppe 8 etwa um eine Größen­ ordnung kleiner als die optische Längendifferenz zwischen zwei benachbarten Phasenlichtleitern 10 der zweiten Lichtleitergruppe 11.

Der in Fig. 1 dargestellte Verlauf der Phasenlichtleiter 7, 10 stellt eine von mehreren zweckmäßigen geometri­ schen Anordnungen dar. In abgewandelten Ausführungen sind die Phasenlichtleiter 7, 10 beispielsweise auf Kreisumfangsabschnitten mit jeweils geringfügig unter­ schiedlichen Radien angeordnet.

Die von den Eingangskopplern 6, 9 abgewandten Austritts­ enden 12, 13 der Phasenlichtleiter 7, 10 sind in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer der optischen Weglänge innerhalb einer Wellenleitergruppe 8, 11 entsprechenden Reihenfolge mit einem gleichbleibenden Abstand nebeneinander angeordnet. Aufgrund der unter­ schiedlichen optischen Weglängen innerhalb einer Licht­ leitergruppe 8, 11 weisen die in den Phasenlichtleitern 7, 11 geführten Lichtanteile eine durch die optische Längendifferenz festgelegte Phasendifferenz auf. Auf­ grund der kreisförmigen Anordnung der den Eingangskopp­ lern 6, 9 zugewandten Enden der Phasenlichtleiter 7, 10 sowie der monomodigen Lichtführung treten ansonsten keine Phasenverschiebungen auf.

In Abhängigkeit der Wellenlänge einer Spektralkomponente des Eingangslichtes findet in einer für diese Spektral­ komponente charakteristischen Richtung eine konstruktive Überlagerung der aus den Austrittsenden 12, 13 der Phasenlichtleiter 7, 10 austretenden Lichtanteile statt. In Fig. 1 ist beispielhaft ein erstes Ausgangslicht­ bündel 14, das aus den Phasenlichtleitern 7 der ersten Lichtleitergruppe 8 stammt, sowie ein zweites Ausgangs­ lichtbündel 15, das aus den Phasenlichtleitern 10 der zweiten Lichtleitergruppe 11 stammt, dargestellt, die einer Spektralkomponente entsprechen und aufgrund der spiegelsymmetrischen Ausgestaltung der Lichtleiter­ gruppen 8, 11 von einer Mittelachse wegweisend ausge­ richtet sind. Die Ausgangslichtbündel 14, 15 breiten sich als Freistrahlen in einer Schicht mit einheitlichem Brechungsindex wie beispielsweise Luft aus und beauf­ schlagen mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Sammel­ optik fokussiert einen Zeilendetektor 16, der aus einzelnen Detektorelementen aufgebaut ist. Der Zeilen­ detektor 16 ist zum Auslesen an die Steuer- und Aus­ werteelektronik 3 angeschlossen.

In einer Abwandlung sind mehrere Lichtleitergruppen in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet und bezüglich der Ausrichtung der Phasenlichtleiter gleichsinnig orientiert. Das Ausgangslicht jeder dieser Lichtleiter­ gruppen beaufschlagt jeweils einen Zeilendetektor, so daß bei einem kompakten Aufbau eine eindeutige simultane Detektion des Ausgangslichtes der Lichtleitergruppen durchführbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel teilt eine Lichtweiche das Eingangslicht in die Einkoppel­ lichtleiter auf.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Ausgangslicht der ersten Lichtleitergruppe 8 aufgrund der gegenüber der optischen Längendifferenz der zweiten Lichtleitergruppe 11 deutlich kleineren Längen­ differenz zwischen den Phasenlichtleitern 7 einer Grob­ messung des Spektrums des in den Eingangslichtleiter 1 eingekoppelten Eingangslichtes in einem Spektralbereich von etwa 300 Nanometer, wobei die konstruktive Über­ lagerung innerhalb des Detektionsbereiches des Zeilen­ detektors 16 in einer einzigen, verhältnismäßig niedri­ gen Ordnung von beispielsweise etwa 2 bis 10 statt­ findet.

Aufgrund der bedeutend größeren optischen Längen­ differenz zwischen benachbarten Phasenlichtleitern 10 der zweiten Lichtleitergruppe 11 überlagert deren Aus­ gangslicht auf dem Zeilendetektor 16 in sehr viel höhe­ ren Ordnungen von beispielsweise 80 bis 100, wobei die optischen Längendifferenzen der Lichtleitergruppen 8, 11 so abgestimmt sind, daß sich verschiedenen Ordnungen der Lichtleitergruppe 11 zugeordnete Spektralbereiche von etwa 10 Nanometer bei einer Auflösung von etwa 0,1 Nanometer auf den Zeilendetektor 16 mit dem von der ersten Lichtleitergruppe 8 empfangenen Spektralbereich einer einzigen Ordnung überlagern.

Für eine eineindeutige Bestimmung eines Maximums ist es vorteilhaft, daß die optischen Längendifferenzen sowie die Breite des Zeilendetektors 16 so aufeinander abge­ stimmt sind, daß Spektralbereiche aufeinanderfolgender Ordnungen jeweils einen gleichen, auf gegenüberliegenden Randseiten des Zeilendetektors 16 detektierten Spektral­ abschnitt aufweisen. Dadurch ist sichergestellt, daß ein relatives Maximum einer Spektralkomponente eineindeutig bestimmbar ist, auch wenn ihr gesamter Spektralbereich über den von zwei verschiedenen Ordnungen abgedeckten Spektralbereich verläuft.

Fig. 2 zeigt die Steuer- und Auswerteelektronik 3, an die die Lichtweiche 2 sowie der Zeilendetektor 16 gemäß Fig. 1 angeschlossen sind. Die Signalpegel des Zeilen­ detektors 16 sind nach Abschluß einer Belichtung mit dem Ausgangslicht der Lichtleitergruppe 8 einem Schiebe­ register 17 durch eine an eine Steuerschaltung 18 ange­ schlossene Taktleitung 19 gesteuert einlesbar. Bei Verschieben des Speicherinhaltes des Schieberegisters 17 sind die Ausgangspegel zum einen über eine Schiebe­ leitung 20 dem Schieberegister 17 rückgeführt, zum anderen einem Analog-Digital-Wandler 21 sowie einem Maximumsdetektor 22 eingespeist. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 21 ist einer Speicheranzeige 23 zur graphischen Darstellung zugeführt, mittels der von der Steuerschaltung 18 angesteuert der Speicherinhalt des Schieberegisters 17 als ein Spektrum des von dem Zeilendetektor 16 detektierten Ausgangslichtes anzeigbar ist.

Relative Maxima in dem von dem Zeilendetektor 16 detek­ tierten Spektralbereich sind bestimmbar, indem die Speicherwerte aus dem Schieberegister 17 über die Takt­ leitung 19 gesteuert in dem Maximumsdetektor 22 einles­ bar und auswertbar sind. Ein dem Spektralwert eines aufgefundenen relativen Maximums entsprechendes Aus­ gangssignal ist über einen Bereichsschalter 24 in Ab­ hängigkeit der Stellung der Lichtweiche 2 bei An­ steuerung der ersten Lichtleitergruppe 8 einem Meßband­ speicher 25 und bei Ansteuerung der zweiten Lichtleiter­ gruppe 11 einem Meßkanalspeicher 26 einspeisbar.

Zu Beginn der Vermessung von Spektralanteilen von Ein­ gangslicht befindet sich der Bereichsschalter 24 über eine an der Steuerschaltung 18 angeschlossenen Schalt­ leitung 27 gesteuert in der in Fig. 2 dargestellten Stellung zum Verbinden des Maximumsdetektors 22 mit dem Meßbandspeicher 25. Sind mehrere Maxima in dem durch die erste Lichtleitergruppe 8 innerhalb einer Ordnung erfaß­ ten Spektralbereich zu unterschiedlichen Meßbereichen der höher auflösenden zweiten Lichtleitergruppe 11 detektiert und in dem Meßbandspeicher 25 abgelegt, läuft über eine Statusleitung 28 ein Signal zu der Steuer­ schaltung 18 zum Beenden der Messung, da in diesem Fall erst beispielsweise durch die Verwendung von Vorfiltern eine eindeutige Zuordnung von Detektionssignalen aus der zweiten, höher auflösenden Lichtleitergruppe 11 möglich ist. Die Steuerschaltung 18 gibt über eine Auslese­ leitung 29 ein Signal zum Auslesen auf dem Meßband­ speicher 25 sowie zu dem in diesem Fall leeren Meßkanal­ speicher 26.

Liegen nur in einem Meßbereich der höher auflösenden zweiten Lichtleitergruppe 11 Maximumswerte in dem Meß­ bandspeicher 25 ab, ist über ein zugehöriges Ausgangs­ signal des Meßbandspeichers 25 über die Statusleitung 28 an die Steuerschaltung 18 die Lichtweiche 2 sowie der Bereichsschalter 24 umschaltbar, so daß nach Belichtung des Zeilendetektors 16 mit dem Ausgangslicht der zweiten Lichtleitergruppe 11 und nach Auslesen des Schiebe­ registers 17 die durch den Maximumsdetektor 22 bestimm­ ten relativen Maxima in dem Ausgangslicht der zweiten Lichtleitergruppe 11 in dem Meßkanalspeicher 26 ab­ speicherbar sind.

Die Speicherinhalte des Meßbandspeichers 25 sowie des Meßkanalspeichers 26 sind mittels eines Auslesesignals in der Ausleseleitung 29 aus der Steuerschaltung 18 über einen Bandadreßwandler 30 beziehungsweise einem Kanal­ adreßwandler 31 einem Abrufspeicher 32 zugeführt. Die Adreßwerte aus den Adreßwandlern 30, 31 sind in dem Abrufspeicher 32 zu einer Gesamtadresse zusammengefügt, die ein Speicherelement anspricht, dessen Speicherinhalt beispielsweise einer Wellenlänge entspricht. Diese Werte sind als Ausgabewerte mittels einer an den Abrufspeicher 32 angeschlossenen Maximumsanzeige 33 anzeigbar.

Ist der Meßkanalspeicher 26 leer, ist in der Maximums­ anzeige 33 anzeigbar, daß es sich bei den angezeigten Maximumswerten um eine Grobmessung aufgrund einer nicht eineindeutig möglichen Zuordnung von Spektralkomponenten in dem Ausgangslicht der zweiten Lichtleitergruppe 11 handelt.

In der abgewandelten Ausführungsform mit aufeinander­ liegenden Lichtleitergruppen, die jeweils einen Zeilen­ detektor mit Ausgangslicht beaufschlagen, sind mehrere, der Anzahl der Lichtleitergruppen und Zeilendetektoren entsprechende Schieberegister vorgesehen, deren Spei­ cherwerte simultan mittels zugeordneter Maximumsdetekto­ ren verarbeitbar sind. Auf diese Weise ist ein Umschal­ ten zwischen Meßspeichern nicht notwendig, so daß eine deutlich kürzere Aktualisierungszeit der Anzeigen er­ reicht ist. Bei einem Mehrdeutigkeitsproblem aufgrund von Maximumswerten in einem übergeordneten Spektralbe­ reich zu mehreren Meßbereichen einer höher auflösenden Lichtleitergruppe ist ein Warnsignal zum Vermeiden von Ablesefehlern anzeigbar.

Insbesondere der Spektralapparat der abgewandelten Aus­ führungsform ist auch als Spektralfilter verwendbar. Bei diesem Filter sind die Spektralkomponenten der Licht­ leitergruppe mit der höchsten Auflösung mittels einer zeilenartigen Lichtleiterempfängergruppe der Empfänger­ einheit weiterleitbar, während das Ausgangslicht der Lichtleitergruppen mit geringerer Auflösung und höherer Spektralbreite zur Identifizierung der weitergeleiteten Spektralkomponenten Zeilendetektoren beaufschlagen. Dieses Filter weist somit über einen großen Spektral­ bereich von mehreren 100 Nanometern eine Auflösung von typischerweise einem bis wenigen Zehntel Nanometer auf.

Claims (10)

1. Spektralapparat zum Trennen von Spektralanteilen von Ein­ gangslicht mit einer Phasengitteranordnung, die aus einer Anzahl von Lichtleitern, deren Längen sich jeweils um ganz­ zahlige Vielfache einer festen optischen Längendifferenz unterscheiden, besteht und in die das Eingangslicht einkop­ pelbar ist, und mit einer von Ausgangslicht der Phasengitter­ anordnung beaufschlagten Empfängereinheit, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasengitteranordnung wenigstens zwei Lichtleitergruppen (8, 11) aufweist, die jeweils aus Lichtleitern bestehen, deren Längen sich jeweils um ganzzah­ lige Vielfache einer festen optischen Längendifferenz unter­ scheiden, wobei die jeweiligen festen optischen Längendiffe­ renzen der Lichtleitergruppen (8, 11) sich unterscheiden und so abgestimmt sind, daß sich verschiedene Ordnungen einer Lichtleitergruppe (11) zugeordnete Spektralbereiche in der Empfängereinheit (16) mit dem von einer anderen Lichtleiter­ gruppe (8) mit einer größeren Spektralbreite empfangenen Spektralbereich einer einzigen Ordnung überlagern.

2. Spektralapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Ordnung einer Lichtleitergruppe (11) zugeordne­ ten Spektralbereiche mit einem Spektralbereich einer benach­ barten Ordnung überschneidende Spektralabschnitte auf­ weisen, die randseitig auf die Empfängereinheit (16) fallen.

3. Spektralapparat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinheit einen aus Einzel­ elementen aufgebauten, lichtempfindlichen Zeilendetektor (16) aufweist.

4. Spektralapparat nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtleitergruppen (8, 11) mit einem optischen Schalter (2) ansteuerbar sind.

5. Spektralapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfängereinheit eine der Anzahl der Lichtleitergruppen entsprechende Anzahl von lichtempfindlichen Zeilendetektoren aufweist, die von dem Ausgangslicht je einer Lichtleitergruppe beaufschlagt sind.

6. Spektralapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinheit eine Auswerteelektronik (3) aufweist, mit der die Intensität von Spektralkomponenten des aus den Lichtleitergruppen (8, 11) austretenden und wenig­ stens einen Zeilendetektor (16) beaufschlagenden Lichtes als Spektrum des Eingangslichtes bestimmbar ist.

7. Spektralapparat nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteelektronik (3) einen Maximumsdetektor (22) zum Bestimmen relativer Maxima der wenigstens einen Zeilendetektor (16) beauf­ schlagenden Spektralbereiche aufweist.

8. Spektralapparat nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mittels des Maximumsdetektors (22) bestimmten Maximumswerte eines Spektralbereichs in einem Speicherelement (25, 26) abspeicherbar sind.

9. Spektralapparat nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Vorliegen von wenigstens zwei Maxima in dem Spektralbereich einer Lichtleiter­ gruppe (8) mit gegenüber einer anderen Lichtleiter­ gruppe (11) größeren Spektralbreite, welche in verschiedene Spektralbereiche der höher auflösenden Lichtleitergruppe (11) fallen, mittels einer An­ zeigevorrichtung ein Hinweissignal ausgebbar ist.

10. Spektralapparat nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der Maxima auf dem sie detektierenden Zeilendetektor (16) mittels einer Recheneinheit (30, 31, 32) in einen Spektral­ wert umwandelbar sind.